FTA-故障树分析课件(148页)

故障树分析——FaultTreeAnalysis（FTA）FTA介绍主要内容目录FTA介绍•概述•与FMEA的对比•集合与概率论基础知识目录概述风险分析的首要目的一方面是及时发现并排除缺陷，另一方面则是对同类型的多套系统进行相互比较。对于可能导致系统失效的缺陷而言，风险分析法的任务是要搞清其发生的概率以及可能导致的后果。而一旦系统发生失效(异常事件)，那么，其造成的后果就是评估损失以及分析研究事故过程的基础和依据。因此，风险不但与概率有关，而且还与其所导致的后果有关。所以，在进行风险分析时，总是要关注以下的两个参数；-发生概率以及-系统失效所导致的后果FTA介绍第一批的安全/风险分析（USA150）主要侧重于调查研究系统部件/组件上各种类型的故障（故障模式）以及各种故障模式所造成的影响（故障影响）。而故障的影响和发生概率则被渐进地划分为四个等级：不久之后，人们就发现，随着设备和系统结构的日趋复杂，很难再进行孤立的故障模式和故障后果分析。另外，这些风险分析方法也不适合作为定量的可靠性分析。在可靠性原理以及逻辑代数的基础上，贝尔实验室（H.Watson,1961年）的工程师成功地用采用逻辑符号的布尔模型对控制单元的故障进行了描述。故障树分析也因此而诞生!在最近的10年中，故障树分析得到了进一步的改进。在大型复杂系统的安全以及可靠性评估方面，目前，故障树分析已经成为应用最广泛的分析方法。FTA介绍故障的影响故障的发生概率没有影响概率极低（1次/107工作小时）影响很小概率小（1次/105-107工作小时）影响严重概率比较大（1次104-105工作小时）灾难性的影响概率大（1次/IO4工作小时）6故障树分析法故障树分析(FaultTreeAnalysis,FTA)故障树分析(FTA)技术是美国贝尔电报公司的电话实验室于1961年开发的,它采用逻辑的方法,形象地进行危险的分析工作,特点是直观、明了、思路清晰、逻辑性强可以做定性分析,也可以做定量分析。体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性,它是安全系统工程的主要分析方法之一。FTA介绍7故障树分析的历史1961年由美国贝尔实验室首先提出并用于“民兵”导弹的发射控制系统,成功地做出了对系统的随机失效问题进行预测。1965年美国波音公司研制出FA计算机程序,用于飞机的设计改进。1974年麻省理工学院采用FTA方法与事件树分析方法,进行了核电站安全性分析,得出了核能是一种非常安全的能源的结论。目前,FTA是公认的对复杂系统进行安全性、可靠性分析的一种较好的方法,在航天、航空、核能、轨道交通、化工等领域得到了广泛的应用FTA介绍8什么情况下进行FTA客户要求认证需求事故调查安全关键产品安全报告评估纠正措施或设计方案分析事故根原因评估安全屏障评估危害度、重要度、可靠度、风险FTA介绍目的对于导致异常事件发生的部件或者子系统的故障，借助故障树分析，就可以发现它们之间的逻辑关系并用图表表达出来。而进行分析的目的不仅仅是要发现导致故障的原因，而且还要弄清楚各方面的功能关系。通过故障树分析，可以做到：―发现所有导致异常事件（故障树的顶事件）的故障以及故障组合，并弄清它们发生的原因，―描述特别关键的事件或者事件组合（例如导致异常事件的故障），―在需要的时候，计算可靠性方面的参数，包括异常事件的发生概率或者说系统利用率，―为系统设计提供客观的评价标准，以及―对故障机制及其功能关系进行明确且条例分明的记录故障树分析是一种应用非常广泛的方法。它一方面可以用于预防故障发生，而另一方面，对于已经发生的故障，也可以通过故障树分析查明其原因。FTA介绍10定义故障树分析法（FaultTreeAnalysis,FTA）是在系统设计过程中，通过对可能造成系统失败的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或其发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。广泛应用于一些重大军事装备研制和宇航、电子、化工等行业的安全分析中。FTA介绍11故障树分析方法在系统可靠性分析、安全性分析和风险评价中具有重要作用和地位。既可用于定性分析又可定量分析。在故障树分析中，对于所研究系统的各类故障状态或不正常工作情况统称为故障事件。与故障事件对应的是成功事件。两者均称为事件。故障树是一种为研究系统某功能故障而建立的一种倒树状的逻辑因果关系图FTA介绍如某电机工作原理图开关电机(马达)电源开关合上后无电源马达故障电源故障线路故障12由图可知：故障树主要由事件和逻辑门构成，图中的事件用来描述系统或元部件的故障状态，逻辑门把事件联系起来，表示事件之间的逻辑因果关系FTA介绍电路开关合上后马达不转13FTA的特点是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法，可针对某一故障事件，作层层追踪分析，因果关系清晰、形象。对导致事故的各种原因及逻辑关系能做出全面、简洁、形象地描述,从而使有关人员了解和掌握安全控制的要点和措施根据各基本事件发生故障的频率数据,确定各基本事件对导致事故发生的影响程度—结构重要度由于故障树将系统故障的各种可能因素联系起来，既可进行定性分析,又可进行定量分析和系统评价,通过定性分析,确定各基本事件对事故影响的大小,从而可确定对各基本事件进行安全控制所应采取措施的优先顺序,为制定科学、合理的安全控制措施提供基本的依据。通过定量分析,依据各基本事件发生的概率,计算出顶上事件(事故)发生的概率,为实现系统的最佳安全控制目标提供一个具体量的概念,有助于其它各项指标的量化处理，可有效找出系统薄弱环节和系统的故障谱，在系统设计阶段有助于判明系统的隐患和潜在故障，以便提高系统的可靠性故障树可作为管理和维修人员的一个形象的管理、维修指南，可用于培训使用、维修和管理人员，可用来制订维修计划和检修排故方案FTA介绍14FTA的不足FTA分析事故原因是强项,但应用于原因导致事故发生的可能性推测是弱项无法解决一个底事件对应多个故障现象（即故障树之间的交叉）等问题FTA分析是针对一个特定事故作分析,而不是针对一个过程或设备系统作分析,因此具有局部性要求分析人员必须非常熟悉所分析的对象系统,能准确和熟练地应用分析方法。往往会出现不同分析人员编制的事故树和分析结果不同的现象FTA是一种系统化的演绎方法，对于复杂系统,编制事故树的步骤较多,编制的事故树也较为庞大,计算也较为复杂,给进行定性、定量分析带来困难，过程比较繁琐计算量很大的，需要借助于计算机完成，在分析过程中稍有疏忽，有可能漏过某一个后果严重的故障模式要对系统进行定量分析,必须事先确定所有各基本事件发生的概率,否则无法进行定量分析FTA介绍风险分析零件计数法推断分析故障模式和影响分析归纳分析故障率分析故障率分析零件疲劳法系统状态分析马尔科夫过程故障模式和影响及危害性分析事件过程分析故障树分析最常用的技术风险分析方法的相互关系FTA介绍FMEA与FTA分析方法失效模式影响分析(FailureModeandEffectsAnalysis，FMEA)和故障树分析(FaultTreeAnalysis，FTA)是可靠性工程中常用的系统可靠性分析方法。FTA介绍16FTA介绍17数学概率论基础知识准备集合定义有某种特定性质的事物的总体称为集合组成集合的事物称为元素不含任何元素的集合称为空集元素a属于集合M,记作a∈M元素a不属于集合M,记作a∈M(或a∈M)1819数学概率论基础知识准备集合表示法(1)列举法:按某种方式列出集合中的全体元素例:有限集合A={a1,a2,…,an}={ai}ni=1自然数集N={0,1,2,…,n,…}={n}(2)描述法:M={x|x所具有的特征}例:实数集合R={x|x为有理数或无理数}开区间(a,b)={x|axb,x是实数}闭区间[a,b]={x|a≤x≤b,x是实数}20数学概率论基础知识准备集合表示法(1)列举法:按某种方式列出集合中的全体元素例:有限集合A={a1,a2,…,an}={ai}ni=1自然数集N={0,1,2,…,n,…}={n}(2)描述法:M={x|x所具有的特征}例:实数集合R={x|x为有理数或无理数}开区间(a,b)={x|axb,x是实数}闭区间[a,b]={x|a≤x≤b,x是实数}21数学概率论基础知识准备客观现象确定性现象在确定条件下，只有一种结果出现。随机现象在相同条件下，并不总是出现相同结果的现象。随机现象特点——随机现象的结果至少有两个——至于哪一个出现，人们事先并不知道22数学概率论基础知识准备确定性现象的例子：•水在标准大气压下加热到摄氏100℃必然会沸腾•两个三角形边、角、边对应相等,则这两个三角形全等随机现象的例子：•抛一枚硬币,结果可能出现正面朝上,也可能出现反面朝上,事前不能肯•炮兵按同样射击条件(使用同一门炮、同一批炮同角度、同一炮位等)进行多次射击,射击前不能肯定其射程多远数学概率论基础知识准备样本空间在下图中，用Ω表示一个试验的所有可能的集合，则称Ω为样本空间.而这个随机试验的每个基本结果称为样本点，记作ω.样本点.23数学概率论基础知识准备----样本空间的子集例：掷一颗骰(tou)子，观察出现的点数.={1,2,3,4,5,6｝样本空间：事件B就是的一个子集B发生当且仅当B中的样本点1，3，5中的某一个出现.B={1,3,5}24随机事件数学概率论基础知识准备从集合的角度看AB事件是由某些样本点所构成的一个集合．一个事件发生，当且仅当属于该事件的样本点之一出现．由此可见，样本空间Ω作为一个事件是必然事件，空集作为一个事件是不可能事件，仅含一个样本点的事件称为基本事件．25事件运算对立事件：A→A在一个随机现象中，Ω是样本空间，A为事件，则由在Ω中而不在A中的样本点组成的事件称为A的对立事件，记。A则AA，，数学概率论基础知识准备26数学概率论基础知识准备事件的关系及运算271.事件的包含与相等“A发生必导致B发生”,记作AB.A＝BAB且BA.数学概率论基础知识准备2.事件的和（并）“事件A与B至少有一个发生”，记作AB．28n个事件A1,A2,…,An至少有一个发生，记作．Aii1n数学概率论基础知识准备n个事件A1,A2,…,An同时发生，记作A1A2…An．3.事件的积（交）:29A与B同时发生，记作AB或AB．数学概率论基础知识准备4.事件的差：A－B称为A与B的差事件,表示事件A发生而B不发生．3031数学概率论基础知识准备5.互不相容（互斥）的事件：如果事件A与事件B不能同时发生，即AB＝，则称A与B为互斥事件。注：(a)基本事件组是互斥事件组，(b)互斥事件可同时不发生。数学概率论基础知识准备6.对立（互逆）的事件：如果AB＝,且AB＝,则称A与B为互逆事件，记作B=A，如果A，B是任意两事件，则有AA,AA,ABAB,AA.AAΩ3)ABA(BA)注意对立事件与互斥的区别.32数学概率论基础知识准备i1Ai7.完备事件组若事件A1,A2,…An为两两互不相容的事件，n33并且,称事件组A1,A2,…An构成一个完备事件组。注:(a)A与－A构成一个完备事件组；(b)基本事件组构成一个完备事件组。事件的关系与运算与集合的关系及运算是一致的，具有相同的运算律。说明：数学概率论基础知识准备事件间的运算律1、交换律：AB＝BA，AB＝BA2、结合律：(AB)C＝A(BC)，(AB)C＝A(BC)3、分配律：(AB)C＝(AC)(BC)，(AB)C＝(AC)(BC)4、对偶律，又称德·摩根(DeMorgan)律：ABAB,ABAB34可推广AkAk,Ak.Akkkkk35数学概率论基础知识准备事件的概率概率——事件发生可能性大小的度量在一个随机现象中，用来表示任一随机事件A发生可